独立调谐注入器共性研究及其在大功率THz源小型化中的应用

As the key component in Free Electron Laser-Terahertz source(FEL-THz), the injector determines the entire facility performance. Independently Tunable Cavity(ITC) injector uses velocity bunching and RF focusing to shorten beamline length and improve beam performance, it has good application prospects in accelerator areas due to its high performance, low cost and compact layout. However, commonality of this type of injectors is yet to study deeply, design and implementation methods are uncertain due to many tunable variables, either. Thus hindering its development and popularization. This project will be based on application requirements of compact high-power Terahertz sources, develop further study of beam and microwave characteristics, and clarify working mechanism for the ITC injector; develop intelligent algorithm to seek for optimal designing, construct an electrical model for the tunable coupling system to guide engineering implementation; conduct beam and power experiments to modify theoretical results and the engineering model, and explore design schemes for compact injectors based on ITC. This project will solve key problems of designing and experiments for the ITC injectors in aspects of basic theories, unit techniques and engineering implementations, provide systematic analyzing methods and technologies, and promote the miniaturization for high-performance injectors and high power THz sources.

电子束注入器是自由电子激光太赫兹源的关键部件，决定整个装置的性能。独立调谐式注入器利用速度压缩和RF聚焦特性缩短束线长度并提升性能，具有高品质、低成本、结构紧凑的优点，在加速器领域具有良好应用前景。但目前对该类注入器的共性缺乏深入研究，可变参数过多以致设计与实现方法亦不确定，从而阻碍其发展和普及。本项目针对高功率太赫兹源小型化的需求，深入研究独立调谐注入器的束流与微波特性并明确性能优化机制；开发智能算法实现最佳设计，建立可调配耦合系统的电路模型用于指导工程实现；依托现有的直线加速器试验台架，开展束流与功率实验以修正理论结果与工程模型，并在此基础上探索以ITC微波腔为核心的小型注入器设计思路。本项目将从基础理论、单元技术及工程实现三方面解决该类注入器设计与实验中的关键问题，为其发展提供系统的理论分析方法与技术基础，促进高品质电子束注入器及高功率太赫兹源的小型化。

自由电子激光是目前产生高功率太赫兹辐射的重要方式之一，同时还具有波长大范围连续可调、光脉冲时间结构精细可调等突出优点。作为驱动自由电子激光的电子束源，注入器品质决定了整个装置的性能。综合考虑商业和民用目的，太赫兹源小型化需求也让其电子束注入器面临新的挑战。独立调谐式注入器利用速度压缩和RF聚焦特性缩短束线长度并实现能散度和发射度补偿，因此具有平衡高品质、低成本、紧凑性的优势。目前制约独立调谐注入器发展的主要瓶颈是对其共性缺乏深刻认识。.本项目依托华中科技大学自由电子激光注入器装置，通过理论分析和实验验证相结合，针对独立调谐注入器设计与实现过程中包括束团性能优化、微波调节、束流测量等在内的一系列共性问题，从基础理论、单元技术及工程实现三方面开展深入研究。.通过本项目的研究，明确了独立调谐注入器的束流与微波特性，尤其是紧凑结构内束流纵向性能的优化机制；建立了可调配耦合系统的改进型等效电路模型，结合电磁场仿真设计了可在线调谐调配的耦合器结构；研制了低电平控制模块，提高了注入器微波系统稳定度；制定了基于射频场与电子束关系的束流间接诊断方案，依托现有的注入器试验台架开展束测实验，得到了与理论及设计较吻合的结果；开发了用于设计复杂加速结构的多目标优化算法，并完成了一台X波段非均匀行波加速管的优化设计。.本项目所取得的研究成果，为独立调谐注入器的发展提供了系统的理论分析方法与技术基础，可以促进高品质电子束注入器及高功率太赫兹源的小型化，加快其市场化进程。相关理论与技术成果也可以拓展应用至超快电子衍射等科研领域，以及无损检测加速器等工业领域。

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